Электрическое поле помогло исследовать высоколежащие ридберговские состояния атомов

Китайские физики смогли измерить то, как распределяются главные квантовые числа среди атомов в высоколежащих ридберговских состояниях, оставшихся нейтральными после воздействия мощного лазерного импульса. В этом им помогло небольшое электростатическое поле, вызывающее туннельную ионизацию этих атомов, чьи продукты фиксировались детекторами. Исследование опубликовано в Physical Review A.

Привычное понятие фотоионизации опирается на корпускулярные представления о свете. Если энергия поглощенного атомом фотона больше, чем энергия его ионизации, то электрон покинет атом. Вместе с тем, ионизация нейтральных атомов может происходить и в электростатических полях. Чтобы это произошло, поле должно быть насколько сильным, чтобы электрон мог туннелировать через кулоновский барьер, создаваемый ионным остовом.

Физики смогли достигнуть таких полей только с развитием техники сжатия лазерных импульсов. При сокращении их длительности энергия импульса локализуется во времени, что приводит к резкому увеличению амплитуды электромагнитной волны. В случае, если частота света ниже, чем характерные ионизационные резонансы, физики наблюдают ряд туннельных эффектов. К их числу относится ситуация, при которой туннелирующий электрон не успевает приобрести от поля достаточной энергии для удаления и возвращается в остов (фрустированная ионизация).

Возврат электрона может происходить в целый ряд атомных состояний. Среди них интерес представляет возбуждение атомов в ридберговские состояния, то есть состояния с большим главным квантовым числом. Они интересны своей богатой и сложной физикой. В частности, выяснилось, что возбуждение атомов и молекул в ридберговские состояния часто происходит не так, как предсказывает формализм фрустрированной туннельной ионизации. Следовательно, физикам нужно учитывать многофотонные процессы, а также эффекты когерентности при туннелировании электрона. Экспериментальное же исследование этого процесса обычно ограничено не слишком большими квантовыми числами (n < 30) из-за того, что их энергетические интервалы слишком малы.

Мэн Чжао (Meng Zhao) с коллегами из Уханьского университета науки и технологии и Китайской академии наук смогли преодолеть этот предел и измерить распределение атомов, оставшихся нейтральными после лазерного импульса, для n > 100. Ключевую роль в этом сыграло небольшое постоянное поле, которое приводило к туннельной ионизации таких атомов, происходящей через определенное время после действия лазерного импульса. Поскольку скорость туннелирования будет тем больше, чем выше энергетический уровень, временная зависимость туннельной ионизации несет информацию о распределении атомов по различным ридберговским состояниям.

Для экспериментальной реализации этой идеи физики фокусировали на сверхзвуковой пучок атомов аргона лазерные импульсы длиной волны 800 нанометров, длительностью 30 фемтосекунд и частотой повторения 5 килогерц. Средняя энергия на импульс была равна 0,8 миллиджоуля. В камере, где находились атомы, было приложено небольшое постоянное электрическое поле, а также магнитное поле. Последнее ограничивало продукты ионизации в плоскости, перпендикулярной вектору напряженности электрического поля. С обоих концов камеры располагались позиционно-чувствительные детекторы на основе микроканальных пластин. Детекторы фиксировали времена прилета электрона и иона, а также выделяли совпадения, которые свидетельствовали о том, что обе частицы — продукты одного распада.

Все сигналы с детекторов можно разделить на три типа. К первому типу можно отнести продукты ионизации, вызванной непосредственно лазерным импульсом. Для них характерны короткие времена. Затем выделяются сигналы, за которые отвечает туннельная ионизация атомов в ридберговских состояниях. В этом случае время прилета электрона линейно коррелирует со временем прилета иона. Наконец, сигналам с очень больших времен соответствует ионизация под действием чернотельного излучения образовавшейся плазмы. Такие условия ограничивают диапазон времен, для которых можно получить информацию о распределении главных квантовых чисел, однако границы этого диапазона оказались чувствительны к величине приложенного поля.

В результате серии экспериментов физики получили ряд зависимостей сигнала от времени для нужного им интервала при различных электрических полях. Физики извлекли из этих зависимостей распределение атомов по главным квантовым числам с помощью полуэмпирических соотношений, полученных и подтвержденных ранее для атомарного водорода. Применение этих формул к атомам аргона справедливо, поскольку их состояния с большим главным квантовым числом с хорошей степенью точности описываются водородными волновыми функциями.

Извлеченные таким образом распределения имели четко выраженный максимум. Зависимость его положения и высоты качественно совпадала с представлениями о роли постоянного электрического поля в процессах возбуждения ридберговских состояний. Для поиска количественного согласия физики построили полуклассическую модель, описывающую этот процесс, в рамках которой динамика туннелировавшего электрона описывается уравнением Ньютона. Оказалось, что такой модели достаточно, чтобы воспроизвести результаты эксперимента.

Физики отмечают, что применение более коротких лазерных импульсов может сделать динамику ионизации более сложной, что, однако можно будет зафиксировать и исследовать с помощью предложенной ими техники. Авторы указывают на необходимость более глубокого теоретического исследования таких процессов.

Как туннельный, так и многофотонный режимы ионизации все еще не до конца понятны ученым. Мы уже рассказывали, как в первом случае распределяется импульс фотона и как во втором появляются эффекты дихроизма.

Марат Хамадеев